朱旭芳，馬知遠，潘 麗

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

一種輕小型智能掃雷機器人的設計與實現(xiàn)

朱旭芳，馬知遠，潘 麗

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

針對傳統(tǒng)掃雷方式的弊端，結(jié)合智能水下機器人的發(fā)展趨勢，設計了一款具有遙控和自主雙模式操作的輕小型掃雷機器人。能通過雙視頻攝像頭對小范圍的目標進行精準定位，機械手自動或手動遙控完成排雷，工作期間實時捕捉水下畫面，記錄機器人的運動軌跡。系統(tǒng)以STC15單片機為核心，由動力系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)四大部分組成，采用了圖像識別、滑模控制及柔性傳動等關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)設計合理，功能完善，相關(guān)技術(shù)可在水下機器人中推廣使用。

掃雷機器人；圖像識別；滑模控制；柔性傳動

0 引言

目前我國海軍在反水雷戰(zhàn)和排雷中主要依靠掃雷艦上的聲納進行目標探測與定位[1-3]，但是這種方法有明顯缺陷，例如難以探測到沉底雷或埋在泥沙中的水雷，掃雷效率不高；掃雷艦自身的磁聲電特性隨時都有引爆水雷的可能；掃雷艦隨時可能受到敵機、岸炮和導彈的襲擊，容易造成人員傷亡。如果采用水下機器人進行掃雷則可以有效解決上述諸多問題。

水下機器人是一種綜合了人工智能和其它先進計算技術(shù)的任務控制器，水下機器人分為遙控潛水器(Remotely Operated Vehicle，簡稱 ROV)和自治潛水器(Autonomous Underwater Vehicle，簡稱 AUV)兩種。其中ROV動力充足、工作快捷方便、數(shù)據(jù)采集量大，但由于機身自帶線纜，不適合長距離水下作業(yè)。AUV不受電纜限制、活動范圍大、機動性好、安全智能、隱蔽性好，但遠程續(xù)航能力不足，人機交互水平和總體決策能力不高，因此各國都在研究如何將ROV和AUV有效結(jié)合，最大限度地發(fā)揮水下機器人的優(yōu)勢。

目前，美國、日本、俄羅斯等水下技術(shù)較發(fā)達的國家建造了數(shù)百個智能水下機器人，用于海洋開發(fā)和軍事作戰(zhàn)[4-6]。我國智能水下機器人技術(shù)的研究起步較晚，主要研究機構(gòu)包括中國科學院、沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學等，目前已經(jīng)完成智能水下機器人太平洋深?？疾旃ぷ?，達到了實用水平。綜合目前各方面的技術(shù)來看，智能水下機器人總的技術(shù)水平仍處在研究、試驗與開發(fā)階段，仍有大量的關(guān)鍵技術(shù)與難點需要突破：①總體布局設計。依據(jù)任務和工作需求，結(jié)合使用條件，對水下機器人總體結(jié)構(gòu)、流體性能、動力系統(tǒng)、控制與通訊方式進行優(yōu)化，提高有限空間的利用效率；②采用小型化技術(shù)。個體小、機動靈活、隱身性好、布施方便的小型機器人，非常適合進行智能化水下作業(yè)；③完善的集成運動控制系統(tǒng)。智能水下機器人的運動控制，需要一個系統(tǒng)來保障運動與定位的精度，此系統(tǒng)需要集成信息融合、故障診斷、容錯控制策略等技術(shù)；④目標精準識別。由于海洋環(huán)境的特殊性和復雜性，目前對水下目標探測與識別的技術(shù)大都依靠聲納成像，而基于聲納圖像的目標探測與識別可靠性和精確性仍然不高。

為此，針對傳統(tǒng)掃雷方式的弊端，結(jié)合智能水下機器人的發(fā)展趨勢，設計了一款具有雙模式小型水下機器人。采用視頻攝像頭完成小范圍的精準探測，既能像 AUV一樣自動進行目標探測與定位工作，當水下機器人找到目標后，可迅速轉(zhuǎn)換成ROV，操作人員遙控完成精準排雷工作。將這種新型水下機器人大規(guī)模的用于反水雷戰(zhàn)爭，可有效地防止水雷威脅，大大提高反水雷行動的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括動力系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)4部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)總體功能實現(xiàn)依靠單片機STC15控制，圖像采集系統(tǒng)實時拍攝水底和前方畫面，然后從經(jīng)過處理后的信號中提取目標信息，傳遞給單片機，單片機控制動力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，以實現(xiàn)機器人在水中的行進、俯仰和抓取等動作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過合理的硬件系統(tǒng)設計[7-9]，再輔以相應的算法實現(xiàn)機器人水下作業(yè)；在遙控和自主工作模式下，均能通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)對水下目標物的探尋和抓??；巡檢過程中能實時傳輸水下畫面，構(gòu)建三維水下環(huán)境模型，并記錄機器人運動軌跡。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)包括重力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和動力推進系統(tǒng)[3-4]。浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中利用重力塊的滑動對姿態(tài)縱傾角進化調(diào)節(jié)，從而使機器人能夠在水下垂面任意角度保持穩(wěn)定。結(jié)合正反螺旋槳推進技術(shù)實現(xiàn)機器人的快速沉浮，擴大機械手的作業(yè)空間。同時，在算法中采用滑模控制方法，使機器人在水下姿態(tài)保持穩(wěn)定。加入干擾器對各種干擾項進行估計，大大消弱了抖振。動力推進系統(tǒng)包括電機、螺旋槳、柔性傳動裝置等。電源對電機供電，電機通過柔性傳動裝置，克服軸系對中問題，帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，進而為機器人的各種活動提供動力。

本設計中縱傾角的調(diào)節(jié)靠移動體積、重量較大的重力塊來實現(xiàn)，位于水密艙中部，后期可以將重力塊換成蓄電池，既節(jié)省空間，又能增強續(xù)航能力。

2.2 圖像采集處理系統(tǒng)

圖像采集處理系統(tǒng)[10]控制包括工控機EBOX-2350MX、圖像采集卡、攝像頭、LED光源等裝置。用于對采集的圖像信息進行處理，存儲六軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，記錄運行軌跡等。

本系統(tǒng)采用雙攝像機鏡頭。攝像機采用深圳翔飛科技有限公司型號為SF-203G的彩色CCD模擬攝像機,其CCD類型為1/3英寸SONY CDD,420線512×582 pixels;鏡頭采用f1.4,焦距為6 mm～15 m的CCD普通鏡頭,光圈大小也可以調(diào)節(jié)。

圖像采集卡采用的是陜西維視的雙路輸入、可進行實時圖像采集的MV-8002 PCI圖像采集卡。該圖像采集卡能進行10位A/D轉(zhuǎn)換,支持C++及OPENCV的開發(fā)。系統(tǒng)設計軟件基于Windows7的VisualC++ 2008及IntelOPENCV開源視覺庫,攝像機內(nèi)外參標定、圖像處理、圖像特征提取、標定、定位算法等都是由PC機來完成。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括控制器、六軸加速度傳感器、電機驅(qū)動器、遙桿等幾個部分?？刂破鳛閱纹瑱CSTC51，用于控制電機驅(qū)動，改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速及方向、直線電機的轉(zhuǎn)停、水泵的轉(zhuǎn)停以及機械手的抓取。六軸傳感器用來實時測量機器人六個自由度的加速度，由單片機實時控制機器人的平衡。

本系統(tǒng)中的螺旋槳采用轉(zhuǎn)動式柔性傳動。將推進裝置輸出軸布置在狹小和不規(guī)則的空間內(nèi)，使得整體結(jié)構(gòu)更加趨于合理。并可以適當彎曲，防止振動，避免損壞連接部件。如果不采用柔性傳動，電機置于機器人外部，必須作水密處理，加大了制作與設計難度，而且降低了可靠性。通過運用柔性傳動，推進電機可以放在機器人內(nèi)部，避免了水密，增強了整個系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的復雜性。

2.4 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要包括機械手、耐壓高透外殼、水泵、循環(huán)冷卻銅管。機器人在水下工作，因此必須加裝水密性好、耐壓強的外殼。鎖定目標后，操縱人員利用機械手完成水下作業(yè)。在作業(yè)過程中，各元件會發(fā)熱導致系統(tǒng)非正常工作。水泵與循環(huán)冷卻銅管共同用于對各發(fā)熱元件降溫，增強機器人的工作可靠性。

利用SolidWorks對此型水下機器人進行結(jié)構(gòu)設計，并確定其每一個部分的具體尺寸與裝配方法，主要包括外殼、配重塊、計算機、電機、軸封、電池、螺旋槳、機械手、攝像頭等重要部件。其模型圖如圖2所示。

圖2 水下機器人模型

各部分部件分別用相應工藝進行加工。經(jīng)過浮力與重力計算，運用鑄造方法加工出配重塊。在機械手和各種連接件的加工過程中，利用數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控加工中心等加工方式。防水方面利用硅膠圈，配合硅膠等方式實現(xiàn)機器人高壓耐水。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制流程

STC51單片機通過驅(qū)動器控制直線電機、左右螺旋槳電機、機械手電機和冷卻水泵的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。同時，單片機還要控制一個六軸加速度傳感器[11-13]，檢測水下機器人沿XYZ三個方向的加速度和繞XYZ三軸的角加速度，通過DSP得到水下機器人姿態(tài)和運動參數(shù)，用于和遙控器的對應操作和機器人水下運行軌跡測繪。

此外，單片機還控制兩個通信模塊，無線通信24L01與CAN總線，無線通信模塊用于模式的選擇和機器的開關(guān)，CAN總線用于遙模式下傳輸遙控器的控制指令。

圖3 系統(tǒng)控制

3.2 圖像識別

針對水下圖像亮度不均勻、對比度低、噪聲明顯等特點，對攝像機直接獲取的圖像信息進行預處理。

水下圖像的噪聲[14-15]主要有兩種：一種是隨機分布的椒鹽噪聲；一種是平穩(wěn)分布的高斯噪聲。如果是椒鹽噪聲，選擇中值濾波方法；如果是高斯噪聲，選擇BayesShink小波閾值方法，設定合適的閾值，將小于閾值的系數(shù)置零，大于的則保留。然后通過閾值函數(shù)映射到估計系數(shù)，最后對估計系數(shù)進行逆變換，就可以實現(xiàn)去噪和重建。去噪前后圖像如圖4所示。

圖4 去噪前后圖像

經(jīng)過降噪后的圖像信息可用于圖像識別，本型機器人的圖像識別主要是基于OpenCV技術(shù)。利用經(jīng)過預處理的圖像資料，提取出圖像中HSV的分量并識別和判斷，通過構(gòu)建目標物的最小外接矩形，判斷目標的位置和方向，并向下位機放松控制指令進行跟蹤或?qū)δ繕诉M行操作。圖像識別流程如圖5所示。

圖5 圖像識別流程

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本設計的水下機器人滿足水下作業(yè)要求，在遙控和自主工作模式下，能通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)對水下目標物的探尋和抓取，巡檢過程中能實時的傳輸水下畫面，構(gòu)建三維水下環(huán)境模型，并記錄機器人的運動軌跡。

4.1 遙控模式

遙控模式下可以用遙控手柄控制水下巡檢機器人的姿態(tài)和機械手臂的動作，更加靈活可控。

遙控器上的傾角傳感器和飛行搖桿接收操作者的控制信息，經(jīng)單片機處理后，由CAN總線發(fā)送至巡檢機器人的單片機，控制機器人前進、后退、左右旋轉(zhuǎn)、俯仰、機械手張合及輔助設備的工作，實現(xiàn)與遙控的對用操作。

圖6 機器人工作組

4.2 自主模式

(1)自主巡檢。 自主巡檢模式下，根據(jù)前方攝像頭拍攝的視頻信息，通過與設定的目標物對比，確定行進的角度和方向，主控機發(fā)出控制指令，控制左右螺旋槳的驅(qū)動和直線電機的驅(qū)動，使巡檢機器人左右或上下調(diào)整。直至找到目標，切換遙控模式，控制機械手動作，實現(xiàn)對目標物的抓取。

(2)自主尋跡。 自主尋跡模式下，將位于機器人底部的攝像頭采集的圖像信息上傳至計算機，計算機根據(jù)RGB過濾除目標以外的圖像，并建立圖像的最小外接矩形。通過與標定的方向進行對比，測得目標信息的方位信息。根據(jù)目標的相位信息，主控機發(fā)出控制指令，控制左右螺旋槳的驅(qū)動和直線電機的驅(qū)動，使巡檢機器人左右或上下調(diào)整，直到目標相位信息與標定方向一致。路線結(jié)束后，機器人對斷點進行標注，并自動上浮。

5 結(jié)語

本文設計的水下掃雷機器人能通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)水下精準作業(yè)，為適應機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在后續(xù)設計中需對機器人進行改進與提高。例如將電池集成在重力塊中，既可以使機器人內(nèi)部空間更大，降低裝配與組裝難度，同時更有利于機器人功能擴展。利用Kinect 技術(shù)可以使水下巡檢機器人控制更加智能化。Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相機捕捉三維空間中操作者的運動，并通過捕獲的信息圖像對機器人發(fā)出相應的指令。機器人攝像頭拍攝的視頻圖像可以通過Cave技術(shù)構(gòu)建出海洋地下的浸入式虛擬現(xiàn)實空間，使操控著身臨其境，大大增強機器人的交互性能。

[1] 倪華,佘湖清.國外潛布水雷的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.水雷戰(zhàn)與艦船防護[J].2013,5:1-8.

[2] SGARZIF.Advaneed mine capability ASTERIA:rheItalian style[C].Mine wafae SymPOsium，2012.

[3] 方晨晨.基于UWB的自主跟隨機器人定位方法[J].軟件導刊,2016,15(9):127-128.

[4] 徐玉如,李彭超.水下機器人發(fā)展趨勢[J].自然雜志,2013(33)3：125-131.

[5] 蘇紀蘭.海洋科學和海洋工程技術(shù)[M].濟南:山東教育出版社,1998.

[6] FIELD JG,HEMPELG,SUMMERHAYESC P.2020年的海洋-科學、發(fā)展趨勢和可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[M].關(guān)克勤,林寶法,祁冬梅,譯.北京:海洋出版社,2004.

[7] 金碧霞.一種微小型水下機器人本體結(jié)構(gòu)的設計[J].機械工程師2013(11):47-49.

[8] 李嘩,常文田,孫玉山,蘇玉民.自治水下機器人的研發(fā)現(xiàn)狀與展望[J].機器人技術(shù)與應用，2007(1):25-31

[9] 宋思利，劉甜甜，康凱燦，陳言俊.自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設計與實現(xiàn)[J].機器人技術(shù)與應用,2012,7(30):29-31.

[10] 朱旭光.Auv的改進滑模變結(jié)構(gòu)控制拉術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2008.

[11] 肖濤.基于Backstepping方法的水下機器人自適應滑?？刂萍夹g(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程夫?qū)W,2009.

[12] 田宇.水下機器人智能運動控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2007.

[13] PANG YONGJIE,SUNYUSHAN,GAN YONG,et al.An integrated GPS/DR navigation system for AUV[J].Journal of Marine Science and Application,2006,5(4):8-13.

[14] YUSHAN SUN,XIAO LIANG,LEI WAN,et al.Design of the embedded navigation system of autonomous underwater vehicle based on the VxWorks[C].The Sixth IEEE International Conference on Control and Automation.Guangzhou,China,2007.

[15] 楊 勇.智能水下機器人故障診斷與容錯控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

(責任編輯：陳福時)

朱旭芳(1978-),女,湖北天門人,博士，海軍工程大學電子工程學院講師,研究方向為軍用目標特性；馬知遠(1982-)，男，湖北武漢人，海軍工程大學電子工程學院副教授，研究方向為電路與系統(tǒng)；潘麗(1985-)，女，湖北武漢人，海軍工程大學電子工程學院講師，研究方向為電路與系統(tǒng)。

10.11907/rjdk.162776

TP319

A

1672-7800(2017)003-0062-03